Co nevíme ve fyzice

Docent fyziky Steven Nahn, PhD ‘98, stojící na požárním schodišti své kanceláře v Ženevě ve Švýcarsku si užívá večerní vzduch, když vyjmenovává některá z největších záhad vesmíru. Říká, že otázka, na které pracuje, je tak jednoduchá, že by si ji dítě mohlo položit: Odkud se bere hmota?

Kosmický detektiv: Profesorka Gabriella Sciolla sestrojila přístroj na detekci temné hmoty.

Odpověď na ni vyžaduje vysvětlení, proč mají základní částice, které tvoří veškerou hmotu ve vesmíru, hmotnost. Nahn a asi 30 dalších výzkumníků a studentů z MIT tedy pracuje na experimentech, které by se měly spustit na Large Hadron Collider, novém urychlovači částic založeném na Evropské organizaci pro jaderný výzkum. LHC je cvičení v extrémech: při teplotách blízkých absolutní nule urychlí částice na nejvyšší experimentálně dosažené energie, přičemž jeho tisíce silných magnetů navádějí protony po kruhové dráze o obvodu 27 kilometrů, dokud se nesrazí. Nástroj má být plně funkční koncem tohoto roku a Nahn odhaduje, že tam stráví půl roku prací; jeho studenti a další výzkumníci tráví většinu času na LHC. Každý chce být součástí týmu, který zkoumá jednu z největších otázek fyziky.

Připadá mi to ironické, přemítá Nahne. Zdá se to jako velmi jednoduchá otázka, ale k nalezení správné odpovědi je zapotřebí obrovský urychlovač a tisíce fyziků, kteří na tom pracují.

Mnoho dalších otázek, které vedou fyziky MIT, je stejně základních. Další velký problém, který by mohly vyřešit experimenty na LHC, se týká povahy asi 23 procent vesmíru – takzvané temné hmoty, jejíž existence je odvozena z gravitačních účinků na viditelné objekty. Fyzikové prostě nevědí, co to je. Kde jsou všechny ty věci? Říká Nahn napůl žertem. Mysleli byste si, že to víme.

dodatečné informace : 'Co dalšího nevíme'

Být fyzikem znamená lámat si hlavu nad tím, co my ostatní považujeme za samozřejmé – že předměty mají hmotnost, že vesmír se skládá z hmoty místo antihmoty, že funguje gravitace.

Fyzici po celém světě nyní pracují na rozšíření a revizi seznamu součástí vesmíru – což je známé jako standardní model, kompaktní destilace asi 100 let výzkumu, který se pokouší popsat částice a síly, které odpovídají za všechny fyzikální jevy. Standardní model zahrnuje 12 základních částic, které tvoří hmotu, jak ji známe, plus jejich stejné, ale opačné antičástice. Zahrnuje čtyři základní síly řídící interakce mezi částicemi: gravitaci, elektromagnetismus (který je zodpovědný za světlo, magnetismus a elektřinu) a silné a slabé síly (které zprostředkovávají interakce uvnitř atomových jader). A zahrnuje částice, které přenášejí čtyři síly – ačkoli ta, která nese gravitaci, zůstává hypotetická.

Tento rámec spojuje vše, o čem částicoví fyzici vědí, že je pravdivé. Říká nám, že atomová jádra, kdysi považovaná za nedělitelná, se skládají z protonů a neutronů; protony a neutrony jsou dále dělitelné na částice zvané kvarky, které drží pohromadě silná síla, jejímž nosičem je gluon.

Profesor Frank Wilczek, který v roce 2004 získal Nobelovu cenu za fyziku za svou práci o silné síle, říká, že standardní model je dobrým funkčním popisem toho, jak svět funguje. Ale všechno to do sebe nezapadá tak pěkně, jak si on a ostatní myslí, že by mělo. Nedostatek experimentálních důkazů o nositeli gravitace, gravitonu, je jedním ze zdrojů frustrace – ačkoli fyzici z MIT hráli průkopnickou roli ve snaze jej odhalit a v současné době modernizují strojní zařízení, které může být prvním, kterému se podaří uspět (viz Catching Einstein's Waves, květen /červen 1008). A to je jen jeden z několika hlavních nedostatků, které se fyzici MIT snaží uvázat.

Za tímto účelem staví detektory temné hmoty; hledání základních částic, které doplňují ty, které známe; a netrpělivě očekáváme výsledky srážek částic na LHC, které konečně umožní fyzikům otestovat desetiletí teoretické práce na těchto strohých matematických popisech našeho vesmíru.

Proč mají věci hmotnost?

Pro Nahna je nejzajímavějším chybějícím kouskem skládačky hmotnost. Pokud vezmete jen tu nejskrytější teorii, řekne vám, že všechny [částice] jsou bez hmotnosti, říká. Ať už jste laik nebo fyzik vyzbrojený sofistikovanými detektory částic, tato vyhlídka se zdá absurdní. Elektrony, které tvoří zanedbatelný zlomek hmotnosti jednotlivých atomů, mají hmotnost asi 0,0005 giga-elektronvoltů (GeV); nejtěžší základní částice, top kvark, má hmotnost asi 175 GeV. Nějakým způsobem musíte do teorie začlenit způsob, jak vytvořit tuto rozmanitost hmoty, říká Nahn. Nejjednodušší způsob, jak toho dosáhnout, je umístit další částici, která se začala nazývat Higgsův boson. To, co jsou fotony pro elektromagnetické pole, jsou Higgsovy bosony pro domnělé Higgsovo pole, médium, které obklopuje vše ve vesmíru a interaguje s elementárními částicemi způsobem, který jim dává hmotnost.

Wilczek říká, že bez Higgsova bosonu jsme jako rasa inteligentních ryb, které nevědí, že jsou ponořeny ve vodě. Tyto ryby by měly větší šanci porozumět zákonům svého vesmíru, kdyby si uvědomily, že prostředí, které považují za samozřejmé, je materiál, který mění způsob, jakým se pohybují, říká Wilczek. Podobně, pokud předpokládáme, že to, co se nám jeví jako prázdný prostor, je médium… máme hezčí rovnice než jinak. Ale nevíme, jak [Higgsův boson] vypadá – jako bychom neviděli molekuly vody.

Fyzici snadno přiznají, že nezasvěceným se může při řešení problémů s vašimi teoriemi vyvolávat hypotetické, nikdy neviděné částice zdát vykonstruované nebo dokonce, Nahnovými slovy, trochu bláznivé. Ale tento přístup se osvědčil již dříve. Na konci 19. století Dmitri Mendělejev vyvinul periodickou tabulku a předpověděl několik chemických prvků, které byly následně pozorovány, včetně gallia a germania. V roce 1931 Paul Dirac předpokládal existenci antihmoty, aby vysvětlil záhadný důsledek rovnice, kterou odvodil, aby uvedl naše chápání elektronů do souladu s relativitou. A Wilczek z MIT předpověděl gluon, který byl přímo detekován v roce 1979.

Jelikož jsou Higgsovy bosony vysoce nestabilní, jediný způsob, jak je pozorovat, je vytvořit je při vysokoenergetické srážce. A žádné předchozí urychlovače částic nebyly dostatečně silné, aby produkovaly spolehlivě detekovatelný počet Higgsových bosonů, o nichž se předpokládá, že mají hmotnost mezi 114 GeV a 184 GeV. LHC však rozbije protony při energiích sedmkrát vyšších, než jaké dosahuje nejsilnější urychlovač, který je nyní v provozu. Musíme najít tuto Higgsovu částici nebo něco podobného v této energetické stupnici, říká Nahn. Fyzici doufají, že najdou Higgse, protože pokud ne, budou nuceni dojít k závěru, že problém hmotnosti standardního modelu má složitější řešení. Ale pro mnohé z nich – včetně Nahna – je to dost vzrušující, aby mohli konečně experimentálně otestovat Higgsovu teorii. Nový urychlovač, který byl odstaven z důvodu opravy krátce po svém otevření na podzim, má být znovu spuštěn na jaře 2009; do té doby Nahn a jeho studenti pracují na softwaru, který bude monitorovat činnost jednoho z detektorů LHC a případně analyzovat data, která generuje (viz The Making of a New Collider, květen/červen 2008).

Jsou čtyři síly sjednoceny?

Teoretici jako Wilczek se také pokoušejí učinit standardní model samotný matematicky krásnějším a experimentálně životaschopným. Každá ze čtyř sil má svůj vlastní soubor řídících rovnic. Ale rovnice jsou pokřivené, říká Wilczek. On a jiní však věří, že síly jsou jako čtyři strany matematické kostky. Jsou diskrétní, ale každý je také součástí celku. Wilczek poukazuje na to, že ačkoli síly mají obecně různé síly, pro částice velmi blízko sebe mají stejnou sílu. To naznačuje, že matematický impuls ke spojení sil do celku řízeného teorií velkého sjednocení je na správné cestě. Elektromagnetismus a slabá síla do sebe matematicky zapadají natolik dobře, že se již často označují jako jedna síla, elektroslabá. Rovnice pro silnou sílu jsou podobné jako pro elektromagnetismus a slabou sílu. Wilczek říká, že je těžké zapadnout do gravitace.

Může se zdát zvláštní, že fyzici tolik důvěřují předpovědím matematiky. Wilczek však říká, že nevěřím svým vlastním názorům, pokud nám příroda nedá nějaké povzbuzení. Pravděpodobně není náhoda, že rovnice jsou si tak podobné, poznamenává. Síly se nemusely spojit, říká. Rovnice nemusely vypadat jako různé tváře stejné kostky.

Wilczek ještě neměl uspokojení z toho, že viděl sjednocení potvrzené experimentálně: fyzici prostě neměli prostředky. Existuje však způsob, jak otestovat teorii. Přidání další dávky částic do standardního modelu dělá matematiku pro sjednocení práce. Každá z těchto teoretických supersymetrických částic by interagovala s jinými částicemi stejným způsobem jako jedna ze známých částic, ale byla by mnohem hmotnější. Wilczek doufá, že vysokoenergetické srážky LHC vytvoří alespoň jednu supersymetrickou částici. Teoretici jako on pracovali na otázkách desítky let, aniž by je mohli otestovat; nyní, říká, experimentátoři dohánějí.

Co je temná hmota?

Gabriella Sciolla, docentka fyziky na MIT, doufá, že potvrdí supersymetrii pomocí experimentů na temné hmotě. Fyzikové z pozorování gravitačních interakcí galaxií a jiných nebeských objektů vědí, že ve vesmíru je mnohem více hmoty, než dokážou vysvětlit hledáním druhů identifikovaných standardním modelem. Tato chybějící hmota se nazývá temná hmota, protože neinteraguje s fotony. Není vidět optickými ani rentgenovými dalekohledy. Určitě jsem trochu zaujatý, ale pro mě je nejzajímavější otevřená otázka ve fyzice, co je temná hmota? říká Sciolla. Jedno jednoduché vysvětlení je, že se skládá z jedné nebo více supersymetrických částic.

V útrobách budovy NW13, v místnosti ze škvárových bloků bez oken, kterou její výzkumná skupina nazývá kobka, Sciolla testuje nový přístroj nazvaný Časová projekční komora Dark Matter – v podstatě velkou nádrž plynu z nerezové oceli lemovanou dvěma digitálními kamerami. . Princip detektoru je jednoduchý. Když částice temné hmoty narazí na atom plynu, atom se vrátí zpět a srazí uvolněné elektrony, které budou detekovány kamerami. Sledováním drah těchto elektronů bude Sciolla schopen vidět nejen to, že částice zasáhla, ale také odkud. To bude důležité pro zjištění, že detektor skutečně vidí temnou hmotu, ne něco jiného. Pokud, jak se mnozí fyzikové domnívají, naše galaxie rotuje přes stacionární oblast temné hmoty, pak by temná hmota měla zasáhnout atomy ve Sciollině detektoru jako déšť dopadající na čelní sklo jedoucího auta. Směr tohoto deště by se měl každých 12 hodin měnit asi o 90º, protože osa rotace Země je asi 45º vzhledem k temné hmotě.

Sciolla a její výzkumná skupina umístí svůj detektor do podzemní laboratoře, aby jej izolovali od kosmického záření, hlavního zdroje hluku, a stráví rok 2009 shromažďováním předběžných dat, aby prokázali, že tento koncept funguje. Sciolla doufá, že za rok bude mít detektor o objemu jeden krychlový metr, který bude 50krát citlivější; do pěti let doufá, že bude mít detektor velký až několik set metrů krychlových.

Nalezení částic temné hmoty by bylo pro fyzika ekvivalentem výhry jackpotu. Všechny tyto velké otázky ve fyzice spolu nějak souvisí, říká Sciolla. Temná hmota je jedinou odpovědí, která by uspokojila tolik různých nezodpovězených otázek v různých oblastech fyziky. Jeho detekce by poskytla silný důkaz pro supersymetrii.

Pokud se ukáže, že temná hmota se neskládá ze supersymetrických částic, ale z axionů, hypotetických částic, na jejichž popisu Wilczek udělal důležitou práci, mohlo by toto zjištění přinést další obrovskou otázku. Axions figuruje prominentně v esoterické teorii, která vysvětluje, proč ve vesmíru převládá hmota – na rozdíl od antihmoty – i když velký třesk produkoval všechny částice a jejich antičástice ve stejném počtu.

Co je temná energie?

I když je temná hmota detekována a její povaha odhalena, další kuriózní jev, který fyzici nazvali temnou energií, vyvolává spoustu dalších otázek. Galaxie jsou od sebe odtlačovány nějakou odpudivou silou, vysvětluje Edmund Bertschinger, vedoucí katedry fyziky. Měření z poslední dekády nám říkají, že vesmír ovládlo něco velmi podobného gravitačnímu odpuzování. To znamená, že vesmír se zrychluje, ale fyzici nevědí proč. Je to kvůli temné energii? Nebo je temná energie jen koncept, který zalepuje nepochopení fyzikálních zákonů?

Navzdory podobnosti v jejich jménech temná energie pravděpodobně vůbec nesouvisí s temnou hmotou – a je mnohem větší záhadou. Existují věrohodná vysvětlení temné hmoty, říká Bertschinger. Nemáme věrohodné modely temné energie, které by dávaly smysl v kontextu fyziky vysokých energií. Práce Bertschingera a mnoha dalších ukázala, že bude velmi obtížné vyvinout testy k rozlišení temné energie a modifikované formy gravitace. Bertschinger však dělá teoretickou práci, která, jak doufá, povede k takovým testům v průběhu příštího desetiletí.

Toto je velký čas ve fyzice, říká Sciolla. Doufejme, že vše dostane odpověď v příštích letech. A pak co? Pak by mohla být ona a její kolegové bez práce, vtipkuje Sciolla. Ale dodává, jsem si jistá, že bude spousta nových otázek, které zůstanou nezodpovězené.

skrýt